(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
膜電極接合体を含む燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料ガス供給部は、
燃料ガスを循環させる循環部と、
前記燃料電池の上流側と前記循環部の下流側とを接続する第１の通路と、
前記燃料電池の下流側と前記循環部の上流側とを接続する第２の通路と、
前記第１の通路に新たな燃料ガスを送出する送出部と、
前記第２の通路から既存の燃料ガスを排出する排出部と、
前記送出部と前記排出部との間の空間の内部の圧力を検出する圧力センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電が停止される場合に、前記送出部と前記排出部とを制御して、前記送出部と前記排出部との間の空間を閉状態に設定すると共に、前記循環部を制御して前記空間内での燃料ガスの循環を停止し、
前記燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に前記圧力センサの検出値が第１の閾値以下になると、前記送出部を制御して前記空間内に前記新たな燃料ガスを補給し、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた後に前記圧力センサの検出値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値以下になると、前記循環部を制御して前記空間内で燃料ガスを循環させ、
前記第１の閾値は、第１の下限値よりも大きな値であり、
前記第１の下限値は、前記圧力センサの検出値が前記第１の下限値であるときに前記新たな燃料ガスの前記補給が行われると、前記新たな燃料ガスが前記燃料電池内部の前記膜電極接合体に到達する値であり、
前記第２の閾値は、第２の下限値よりも大きな値であり、
前記第２の下限値は、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた直後の前記空間内の圧力値よりも、前記第１の閾値と前記第１の下限値との差分だけ小さい値である、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の発電を一時的に停止した後から発電を再開するまでの処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、複数の膜電極接合体を含む燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、を備えている。燃料ガス供給部は、通常、循環系を含んでおり、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に再度供給することにより燃料ガスを循環させる。
【０００３】
燃料電池システムが車両等に搭載される場合には、燃料電池の発電が一時的に停止されることがある。例えば、車両のアイドル時には、燃料電池からの電力は必要とされないため、燃料電池の発電が停止される。燃料電池の発電が停止される際には、通常、循環系への燃料ガスの供給が停止されると共に、循環系内での燃料ガスの循環が停止される。そして、燃料電池の発電が再開される際には、循環系への燃料ガスの供給（補給）が開始されると共に、循環系内での燃料ガスの循環が開始される。
【０００４】
なお、特許文献１ないし４には、循環系を備える燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４０２２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０３４２号公報
【特許文献３】特開２００２−２３１２７７号公報
【特許文献４】特開２００２−２４６０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来では、燃料電池の発電を再開する際に、より具体的には、発電再開時の燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となる虞があった。具体的には、膜電極接合体のアノード側の一部の領域は、補給された濃度の比較的高い新たな燃料ガスに曝され、他の領域は、濃度の比較的低い既存の燃料ガスに曝される虞があった。この場合には、カソードの電極材料が劣化し得る。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電を一時的に停止した後に発電を再開する場合に、燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
燃料電池システムであって、膜電極接合体を含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記燃料ガス供給部は、燃料ガスを循環させる循環部と、前記燃料電池の上流側と前記循環部の下流側とを接続する第１の通路と、前記燃料電池の下流側と前記循環部の上流側とを接続する第２の通路と、前記第１の通路に新たな燃料ガスを送出する送出部と、前記第２の通路から既存の燃料ガスを排出する排出部と、前記送出部と前記排出部との間の空間の内部の圧力を検出する圧力センサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電が停止される場合に、前記送出部と前記排出部とを制御して、前記送出部と前記排出部との間の空間を閉状態に設定すると共に、前記循環部を制御して前記空間内での燃料ガスの循環を停止し、前記燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に前記圧力センサの検出値が第１の閾値以下になると、前記送出部を制御して前記空間内に前記新たな燃料ガスを補給し、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた後に前記圧力センサの検出値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値以下になると、前記循環部を制御して前記空間内で燃料ガスを循環させ、前記第１の閾値は、第１の下限値よりも大きな値であり、前記第１の下限値は、前記圧力センサの検出値が前記第１の下限値であるときに前記新たな燃料ガスの前記補給が行われると、前記新たな燃料ガスが前記燃料電池内部の前記膜電極接合体に到達する値であり、前記第２の閾値は、第２の下限値よりも大きな値であり、前記第２の下限値は、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた直後の前記空間内の圧力値よりも、前記第１の閾値と前記第１の下限値との差分だけ小さい値である、燃料電池システム。
この構成によれば、燃料電池の発電を一時的に停止した後に発電を再開する場合に、発電停止期間中における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することができる。また、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されるため、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されない場合と比較して、発電再開直後の燃料電池の出力電圧を向上させることができる。
【０００９】
［適用例１］  燃料電池システムであって、
膜電極接合体を含む燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料ガス供給部は、
燃料ガスを循環させる循環部と、
前記燃料電池の上流側と前記循環部の下流側とを接続する第１の通路と、
前記燃料電池の下流側と前記循環部の上流側とを接続する第２の通路と、
前記第１の通路に新たな燃料ガスを送出する送出部と、
前記第２の通路から既存の燃料ガスを排出する排出部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電が停止される場合に、前記送出部と前記排出部とを制御して、前記送出部と前記排出部との間の空間を閉状態に設定すると共に、前記循環部を制御して前記空間内での燃料ガスの循環を停止し、
前記燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に第１の条件が満足される場合に、前記新たな燃料ガスが前記燃料電池内部の前記膜電極接合体に到達しないように、前記送出部を制御して前記空間内に前記新たな燃料ガスを補給することを特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
この装置では、燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に第１の条件が満足される場合には、新たな燃料ガスが、燃料電池内部の膜電極接合体に到達しないように、補給される。このため、燃料電池の発電を一時的に停止した後に発電を再開する場合に、発電停止期間中における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することができる。また、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されるため、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されない場合と比較して、発電再開直後の燃料電池の出力電圧を向上させることができる。
【００１１】
［適用例２］  適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、
前記燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた後に第２の条件が満足される場合に、前記循環部を制御して前記空間内で燃料ガスを循環させる、燃料電池システム。
【００１２】
発電停止期間中における燃料ガスの補給後に長期間が経過すると、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となり得る。しかしながら、上記のように、第２の条件が満足される場合に空間内で燃料ガスを循環させれば、発電停止期間中において空間内の燃料ガスの濃度分布を均一化することができ、この結果、発電の再開時における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することができる。また、発電停止期間中における循環部の動作頻度を抑制することができる。
【００１３】
［適用例３］  適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記空間内の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記第１の条件は、前記圧力センサの検出値が第１の閾値以下であることを含む、燃料電池システム。
【００１４】
［適用例４］  適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記第１の閾値は、第１の下限値よりも大きな値であり、
前記第１の下限値は、仮に、前記圧力センサの検出値が前記第１の下限値であるときに前記新たな燃料ガスの前記補給が行われると、前記新たな燃料ガスが前記燃料電池内部の前記膜電極接合体に到達するような値である、燃料電池システム。
【００１５】
こうすれば、新たな燃料ガスが燃料電池内部の膜電極接合体に確実に到達しないように、新たな燃料ガスを補給することができる。
【００１６】
［適用例５］  適用例３または４記載の燃料電池システムであって、
前記第２の条件は、前記圧力センサの検出値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値以下であることを含む、燃料電池システム。
【００１７】
［適用例６］  適用例５記載の燃料電池システムであって、
前記第２の閾値は、第２の下限値よりも大きな値であり、
前記第２の下限値は、前記新たな燃料ガスの前記補給が行われた直後の前記空間内の圧力値よりも、前記第１の閾値と前記第１の下限値との差分だけ小さい値である、燃料電池システム。
【００１８】
こうすれば、発電の再開時における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一とならないように、確実に燃料ガスを循環させることができる。
【００１９】
［他の適用例］  膜電極接合体を含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部を制御する方法であって、
前記燃料ガス供給部は、
燃料ガスを循環させる循環部と、
前記燃料電池の上流側と前記循環部の下流側とを接続する第１の通路と、
前記燃料電池の下流側と前記循環部の上流側とを接続する第２の通路と、
前記第１の通路に新たな燃料ガスを送出する送出部と、
前記第２の通路から既存の燃料ガスを排出する排出部と、
を備えており、
前記方法は、
前記燃料電池の発電が停止される場合に、前記送出部と前記排出部とを制御して、前記送出部と前記排出部との間の空間を閉状態に設定すると共に、前記循環部を制御して前記空間内での燃料ガスの循環を停止する工程と、
前記燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に第１の条件が満足される場合に、前記新たな燃料ガスが前記燃料電池内部の前記膜電極接合体に到達しないように、前記送出部を制御して前記空間内に前記新たな燃料ガスを補給する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【００２０】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体、燃料電池システムの制御方法、これらの装置の機能または方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
Ａ．燃料電池システムの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２２】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００に水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２００と、燃料電池１００に酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給部３００と、コントローラ６００と、を備えている。また、燃料電池システムは、燃料電池１００からの電力を利用する負荷装置１９０を備えている。
【００２３】
図２は、燃料電池１００の内部構造を模式的に示す説明図である。図示するように、燃料電池１００は、交互に積層された複数の発電ユニット１１０と複数のセパレータ１２０とを含んでいる。
【００２４】
発電ユニット１１０は、電解質膜１１２を含んでおり、電解質膜１１２の一方の面側には、第１の電極触媒層（アノード）１１４ａと第１のガス拡散層１１６ａとがこの順に設けられており、電解質膜１１２の他方の面側には、第２の電極触媒層（カソード）１１４ｃと第２のガス拡散層１１６ｃとがこの順に設けられている。発電ユニット１１０の一方の側には、第１のガス拡散層１１６ａに接触する第１のセパレータ１２０が配置されており、発電ユニット１１０の他方の側には、第２のガス拡散層１１６ｃに接触する第２のセパレータ１２０が配置されている。各セパレータ１２０の両面には、複数の溝が形成されており、発電ユニット１１０の第１のガス拡散層１１６ａと第１のセパレータ１２０との間には、アノード側ガス通路１２１が形成されており、発電ユニット１１０の第２のガス拡散層１１６ｃと第２のセパレータ１２０との間には、カソード側ガス通路１２２が形成されている。
【００２５】
なお、電解質膜１１２としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。電極触媒層１１４ａ，１１４ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた層を用いることができる。ガス拡散層１１６ａ，１１６ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成される。また、セパレータ１２０は、導電性を有し、ガス透過性を有していない金属やカーボンなどで形成される。
【００２６】
アノード側ガス通路１２１には、燃料ガス供給部２００から供給された水素ガスを含む燃料ガスが流通し、カソード側ガス通路１２２には、酸化ガス供給部３００から供給された酸素ガスを含む酸化ガスが流通する。そして、発電ユニット１１０において、以下に示す電気化学反応が進行する。
【００２７】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-                       …（１）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ    …（２）
Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ                …（３）
【００２８】
式（１）はアノード１１４ａにおける反応を示しており、式（２）はカソード１１４ｃにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。
【００２９】
なお、図２に示す発電ユニット１１０と、第１のセパレータ１２０のうちのアノード側ガス通路１２１を含む部分と、第２のセパレータ１２０のうちのカソード側ガス通路１２２を含む部分と、を含むブロックが、１つのセル（単電池）に相当する。本実施例では、燃料電池１００は、複数（例えば１００個）のセルを備えている。
【００３０】
燃料ガス供給部２００（図１）は、燃料ガスタンク２１０と、減圧弁２２０と、第１の遮断弁２３０と、第２の遮断弁２４０と、循環ポンプ２５０と、を備えている。また、燃料ガス供給部２００は、燃料ガス通路２９２と、燃料オフガス通路２９４と、接続通路２９６と、を備えている。
【００３１】
燃料ガス通路２９２は、３つの部分通路（部分燃料ガス通路）２９２ａ〜２９２ｃを含んでいる。第１の部分通路２９２ａは、燃料ガスタンク２１０と減圧弁２２０との間に設けられており、第２の部分通路２９２ｂは、減圧弁２２０と第１の遮断弁２３０との間に設けられており、第３の部分通路２９２ｃは、第１の遮断弁２３０と燃料電池１００との間に設けられている。燃料オフガス通路２９４は、２つの部分通路（部分燃料オフガス通路）２９４ａ，２９４ｂを含んでいる。第１の部分通路２９４ａは、燃料電池１００と第２の遮断弁２４０との間に設けられており、第２の部分通路２９４ｂは、第２の遮断弁２４０の下流側に設けられている。接続通路２９６は、２つの部分通路（部分接続通路）２９６ａ，２９６ｂを含んでいる。第１の部分通路２９６ａは、循環ポンプ２５０の上流側と第１の部分燃料オフガス通路２９４ａとの間に設けられており、第２の部分通路２９６ｂは、循環ポンプ２５０の下流側と第３の部分燃料ガス通路２９２ｃとの間に設けられており。
【００３２】
燃料ガスタンク２１０は、水素ガスを含む燃料ガスを高い圧力で貯蔵する。減圧弁２２０は、燃料ガスタンク２１０から供給された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。
【００３３】
第１の遮断弁２３０は、燃料電池１００の発電期間中には、開状態に設定され、発電停止期間中には、閉状態に設定される。第１の遮断弁２３０が開状態に設定される場合には、第２の部分燃料ガス通路２９２ｂ内の所定の圧力の燃料ガスが、第３の部分燃料ガス通路２９２ｃを介して、燃料電池１００に供給される。
【００３４】
第２の遮断弁２４０は、燃料電池１００の発電期間中には、間欠的に開状態に設定され、発電停止期間中には、閉状態に設定される。第２の遮断弁２４０が開状態に設定される場合には、第１の部分燃料オフガス通路２９４ａ内の燃料オフガスが、第２の部分燃料オフガス通路２９４ｂを介して、外部に排出される。
【００３５】
循環ポンプ２５０は、燃料電池１００の発電期間中には、作動状態に設定され、発電停止期間中には、停止状態に設定される。循環ポンプ２５０が作動する場合には、第１の部分燃料オフガス通路２９４ａ内の燃料オフガスは、燃料ガスとして、第３の部分燃料ガス通路２９２ｃ内に戻される。すなわち、燃料ガスは、第１の遮断弁２３０と第２の遮断弁２４０との間に形成される環状通路内を循環する。一方、循環ポンプ２５０が停止している場合には、２つの部分接続通路２９６ａ，２９６ｂ間の燃料ガスの流通は禁止される。
【００３６】
上記のように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池１００内部に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池１００における反応効率を向上させることができる。しかしながら、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料電池１００内部の電解質膜１１２（図２）を介して、カソード側ガス通路１２２内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などがアノード側ガス通路１２１内の燃料ガス中に侵入する。このため、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、第２の遮断弁２４０を間欠的に開状態に設定することにより、水素ガス濃度の低い燃料オフガスが燃料電池１００から排出される。
【００３７】
酸化ガス供給部３００（図１）は、ブロワ３１０を備えている。また、酸化ガス供給部３００は、酸化ガス通路３９２と、酸化オフガス通路３９４と、を備えている。ブロワ３１０は、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を、酸化ガス通路３９２を介して、燃料電池１００に供給する。燃料電池１００から排出された酸化オフガスは、酸化オフガス通路３９４を介して、外部に排出される。
【００３８】
コントローラ６００は、燃料ガス供給部２００と酸化ガス供給部３００との動作を制御する。また、コントローラ６００は、燃料電池１００と負荷装置１９０との間に設けられたスイッチを制御する。燃料電池１００の発電期間中には、燃料電池１００と負荷装置１９０とが接続され、発電停止期間中には、燃料電池１００と負荷装置１９０との接続が断たれる。
【００３９】
特に、本実施例では、第３の部分燃料ガス通路２９２ｃには、圧力センサ６１０が設けられており、コントローラ６００は、圧力センサ６１０の検出値を利用して、燃料ガス供給部２００の動作を制御する（後述する）。
【００４０】
なお、本実施例における電解質膜１１２と第１の電極触媒層１１４ａと第２の電極触媒層１１４ｃとが本発明における膜電極接合体に相当する。また、本実施例における循環ポンプが本発明における循環部に相当し、第１の遮断弁２３０が送出部に相当し、第２の遮断弁２４０が排出部に相当する。さらに、本実施例における第３の部分燃料ガス通路２９２ｃと第２の部分接続通路２９６ｂとが本発明における第１の通路に相当し、第１の部分燃料オフガス通路２９４ａと第１の部分接続通路２９６ａとが第２の通路に相当する。そして、本実施例におけるコントローラ６００と圧力センサ６１０とが本発明における制御部に相当する。
【００４１】
Ｂ．比較例の処理：
以下では、実施例の処理に先行して、比較例の処理を説明する。なお、比較例では、実施例（図１）と同様の燃料電池システムが採用されている。ただし、コントローラ６００の処理内容は、実施例と比較例とで異なっている。
【００４２】
車両の運転状態が通常状態である場合には、負荷装置１９０は燃料電池１００からの電力を必要とするため、燃料電池１００の発電は継続される。しかしながら、車両の運転状態がアイドル状態である場合には、負荷装置１９０は燃料電池１００からの電力を必要としないため、燃料電池１００の発電は一時的に停止（中断）される。
【００４３】
燃料電池の発電が停止される場合には、２つの遮断弁２３０，２４０は閉状態に設定され、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間は、閉状態に設定される。また、循環ポンプ２５０は停止状態に設定される。なお、この際、燃料電池１００と負荷装置１９０との接続は断たれる。発電停止期間中には、燃料ガス中の水素ガスが電解質膜１１２を透過して、アノード側からカソード側に移動し、この結果、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間内の水素ガスの量が減少して、該空間内の圧力が次第に低下する。したがって、燃料電池の発電が再開される場合には、上記の空間内に新たな燃料ガスを補給することによって、燃料ガスの圧力を増大させる。このように、燃料ガスの圧力を増大させることによって、燃料電池１００の出力電圧を高めることができる。
【００４４】
なお、以下では、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間を、より具体的には、第３の部分燃料ガス通路２９２ｃと、アノード側ガス通路１２１を含む燃料電池１００内の燃料ガスが通る内部通路と、燃料オフガス通路２９４ａと、２つの部分接続通路２９６ａ，２９４ａと、で形成される空間を、「特定空間」とも呼ぶ。
【００４５】
図３は、比較例における発電停止後の処理の手順を示すフローチャートである。なお、図３の処理は、燃料電池１００の発電が一時的に停止された直後に開始される。
【００４６】
ステップＳ９０２では、コントローラ６００は、燃料電池の発電の再開が要求されているか否かを判断する。なお、この要求の有無は、例えば、車速や、シフトポジション、ブレーキペダルの踏み込み量、アクセル開度などを用いて判断される。発電の再開が要求されていない場合には、ステップＳ９０２の処理が繰り返し実行される。一方、発電の再開が要求されている場合には、ステップＳ９０４に進む。
【００４７】
ステップＳ９０４では、コントローラ６００は、第１の遮断弁２３０を開状態に変更することによって、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間（特定空間）に新たな燃料ガスを補給する。また、コントローラ６００は、循環ポンプ２５０を作動させることによって、特定空間内で燃料ガスを循環させる。なお、この際、燃料電池１００と負荷装置１９０とが接続される。
【００４８】
図４は、図３の処理が実行される際の圧力変化の一例を模式的に示す説明図である。図中、横軸は時間であり、縦軸は圧力センサ６１０（図１）によって検出される圧力Ｐである。圧力Ｐは、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間（特定空間）内の圧力を示している。また、図中、２つの期間Ｔｇ１，Ｔｇ２は、発電期間を示しており、期間Ｔｓは、発電停止期間を示している。
【００４９】
第１の発電期間Ｔｇ１では、第１の遮断弁２３０は開状態に設定されており、第２の遮断弁２４０は閉状態に設定されている。また、循環ポンプ２５０は作動状態に設定されている。このため、第１の発電期間Ｔｇ１では、特定空間内の圧力Ｐはほぼ値Ｐｏで維持されている。なお、値Ｐｏは、減圧弁２２０の下流側の圧力と等しい。
【００５０】
時刻ｔ０で発電が停止されるときには、第１の遮断弁２３０が閉状態に変更されると共に、循環ポンプ２５０が停止状態に変更される。第１の遮断弁２３０が閉状態に変更されると、発電停止期間Ｔｓにおいて、特定空間内の圧力Ｐは次第に低下する。
【００５１】
時刻ｔ１では、圧力Ｐは値Ｐｚまで低下している。比較例では、時刻ｔ１において、図３のステップＳ９０４の処理が実行されて、発電が再開される。すなわち、時刻ｔ１において、第１の遮断弁２３０が開状態に変更されると共に、循環ポンプ２５０が作動状態に変更される。第１の遮断弁２３０が開状態に変更されると、特定空間内の圧力Ｐは、値Ｐｏまで急激に増大する。そして、時刻ｔ１以降の第２の発電期間Ｔｇ２では、圧力Ｐはほぼ値Ｐｏで維持される。
【００５２】
図５は、図３のステップＳ９０４の補給処理前後における燃料ガスの分布を示す説明図である。図５（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、ステップＳ９０４の補給処理前と補給処理直後とにおける特定空間内の燃料ガスの分布を示している。
【００５３】
図５（Ａ），（Ｂ）においてハッチングが付された部分は、発電再開時の補給処理（ステップＳ９０４）前から特定空間内に残存する燃料ガスであって、水素ガス濃度の比較的低い燃料ガス（以下、「低濃度燃料ガス」とも呼ぶ）を示している。また、図５（Ｂ）においてクロスハッチングが付された部分は、発電再開時の補給処理（ステップＳ９０４）で新たに追加された燃料ガスであって、水素ガス濃度の比較的高い燃料ガス（以下、「高濃度燃料ガス」とも呼ぶ）を示している。なお、補給処理は、僅かな期間で行われ、高濃度燃料ガスは、低濃度燃料ガスを圧縮するように特定空間内に供給される。このため、補給処理直後には、図５（Ｂ）に示すように、低濃度燃料ガスと高濃度燃料ガスとは、ほぼ分離されている。
【００５４】
発電の再開の要求は、ユーザからの指示、より具体的には、ユーザによるシフトポジションなどの操作に基づいて、発生する。したがって、発電停止期間が長期間継続する場合もあり得る。発電停止期間が長い場合には、図４に示すように、特定空間内の圧力Ｐはかなり低下する。このため、図５（Ｂ）に示すように、発電再開時の補給処理（ステップＳ９０４）で追加された高濃度燃料ガスは、燃料電池１００内部の上流側に設けられた一部のアノード側ガス通路１２１に進入する。この結果、上流側に設けられた一部の発電ユニット１１０は、水素ガス濃度の異なる高濃度燃料ガスと低濃度燃料ガスとの双方に曝される。
【００５５】
図６は、高濃度燃料ガスと低濃度燃料ガスとに曝された発電ユニット１１０を拡大して示す説明図である。図示するように、発電ユニット１１０のアノード１１４ａ側の面には、高濃度燃料ガスに曝される第１の領域ＷＨと、低濃度燃料ガスに曝される第２の領域ＷＬと、が形成される。このとき、１つのセルの内部で電流が流れる。具体的には、第１の領域ＷＨを含む第１の部分発電ユニット１１０Ｈの２つの電極１１４ａ，１１４ｃ間の電圧（例えば１．０Ｖ）と、第２の領域ＷＬを含む第２の部分発電ユニット１１０Ｌの２つの電極１１４ａ，１１４ｃ間の電圧（例えば０．２Ｖ）と、が異なるため、２つの部分発電ユニット１１０Ｈ，１１０Ｌ間に電流が流れる。
【００５６】
具体的には、第１の部分発電ユニット１１０Ｈでは、以下に示す反応が進行する。なお、式（４），式（５）は、それぞれ、第１の部分発電ユニット１１０Ｈのアノード１１４ａとカソード１１４ｃにおける反応を示している。
【００５７】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-                       …（４）
Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ            …（５）
【００５８】
また、第２の部分発電ユニット１１０Ｌでは、以下に示す反応が進行する。なお、式（６），式（７）は、それぞれ、第２の部分発電ユニット１１０Ｌのアノード１１４ａとカソード１１４ｃにおける反応を示している。
【００５９】
Ｏ2＋４Ｈ+ ＋４ｅ- →  ２Ｈ2Ｏ              …（６）
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ →  ＣＯ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ-        …（７）
【００６０】
式（７）から分かるように、発電ユニット１１０が水素ガス濃度の異なる燃料ガスに曝されて、発電ユニット１１０の面内で水素ガス濃度分布が不均一となる場合には、第２の部分発電ユニット１１０Ｌのカソード１１４ｃに含まれるカーボン（Ｃ）が酸化して、カソード１１４ｃが劣化してしまう。
【００６１】
なお、上記の反応は、燃料電池１００と負荷装置１９０との接続が断たれている場合にも進行する。また、上記のカソード１１４ｃの劣化は、水素ガス濃度分布が不均一となる期間が長い程、顕著となる。
【００６２】
ステップＳ９０４（図３）において、仮に、循環ポンプ２５０がコントローラ６００からの指示に従って直ちに燃料ガスを循環させることができれば、水素ガス濃度分布の不均一は緩和される。しかしながら、コントローラ２６０が循環ポンプ２５０を制御して作動状態に設定した後に循環ポンプ２５０が実際に燃料ガスを循環させることができるようになるまでには、通常、遅れ期間が存在し、この遅れ期間において、水素ガス濃度分布は不均一となる。
【００６３】
そこで、本実施例では、発電ユニット１１０の面内で水素ガス濃度分布が不均一とならないように、工夫している。
【００６４】
Ｃ．実施例の処理：
図７は、実施例における発電停止後の処理の手順を示すフローチャートであり、図３に対応する。図７の処理は、燃料電池の発電が一時的に停止された直後に開始される。なお、前述したように、燃料電池の発電が停止される場合には、２つの遮断弁２３０，２４０は閉状態に設定され、循環ポンプ２５０は停止状態に設定される。また、燃料電池１００と負荷装置１９０との接続は断たれる。
【００６５】
ステップＳ１０２では、コントローラ６００は、図３のステップＳ９０２と同様に、燃料電池の発電の再開が要求されているか否かを判断する。発電の再開が要求されている場合には、ステップＳ１０４に進み、発電の再開が要求されていない場合には、ステップＳ１１２に進む。
【００６６】
ステップＳ１０４では、コントローラ６００は、図３のステップＳ９０４と同様に、第１の遮断弁２３０を開状態に変更することによって、特定空間内に新たな燃料ガスを補給すると共に、循環ポンプ２５０を作動させることによって、特定空間内で燃料ガスを循環させる。なお、この際、燃料電池１００と負荷装置１９０とが接続される。
【００６７】
ステップＳ１１２では、コントローラ６００は、圧力センサ６１０から検出値Ｐｃを取得する。検出値Ｐｃは、２つの遮断弁２３０，２４０の間の空間（特定空間）内の現在の圧力を示す。
【００６８】
ステップＳ１１４では、コントローラ６００は、検出値Ｐｃが第１の閾値Ｐｔｈ１以下であるか否かを判断する。検出値Ｐｃが閾値Ｐｔｈ１以下である場合には、ステップＳ１１６に進み、検出値Ｐｃが閾値Ｐｔｈ１よりも大きい場合には、ステップＳ１０２に戻る。なお、第１の閾値Ｐｔｈ１については後述する。
【００６９】
ステップＳ１１６では、コントローラ６００は、第１の遮断弁２３０を僅かな期間だけ開状態に設定し、特定空間内に燃料ガスを補給する。なお、このとき、第２の遮断弁２４０は閉状態で維持され、循環ポンプ２５０は停止状態で維持される。ステップＳ１１６における燃料ガスの補給は、すべての発電ユニット１１０の面内で、水素ガス濃度分布の不均一が発生しないように、行われる。
【００７０】
図８は、図７のステップＳ１１６の補給処理前後の燃料ガスの分布を示す説明図であり、図５に対応する。図８（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、ステップＳ１１６の補給処理前と補給処理直後とにおける特定空間内の燃料ガスの分布を示している。
【００７１】
図８（Ａ）に示すように、発電停止期間中の補給処理（ステップＳ１１６）前には、特定空間内には、低濃度燃料ガスが存在している。一方、発電停止期間中の補給処理（ステップＳ１１６）直後には、図８（Ｂ）に示すように、特定空間内には、低濃度燃料ガスと高濃度燃料ガスとの双方が存在している。ただし、高濃度燃料ガスは、燃料電池１００内部のすべての発電ユニット１１０に到達していない。このため、カソード１１４ｃの劣化が抑制される。
【００７２】
本実施例では、補給処理のタイミングを規定する第１の閾値Ｐｔｈ１は、以下のように決定されている。第２の部分燃料ガス通路２９２ｂ内の圧力は、減圧弁２２０によって値Ｐｏに設定されているため、補給処理直後の特定空間内の圧力Ｐは、値Ｐｏとなる。燃料ガスの補給量は、補給処理前の特定空間内の圧力が低い程、多くなる。補給された新たな燃料ガスが燃料電池１００内部の最上流側に配置された発電ユニット１１０の端部付近にちょうど到達するときの補給処理前の特定空間内の圧力を下限値Ｐｍ１とすると、閾値Ｐｔｈ１は、下限値Ｐｍ１よりも大きな値に設定される。
【００７３】
図９は、下限値Ｐｍ１の算出方法を示す説明図である。図９（Ａ）は、補給処理前の特定空間内の燃料ガスを示しており、図９（Ｂ）は、補給処理直後の特定空間内の燃料ガスを示している。図９（Ａ）では、特定空間内の圧力Ｐは、下限値Ｐｍ１である。そして、図９（Ｂ）では、特定空間内の圧力Ｐは値Ｐｏに設定され、補給された新たな燃料ガスは、最上流側に配置された発電ユニット１１０の端部付近にちょうど到達している。
【００７４】
２つの遮断弁２３０，２４０の間の特定空間の容積をＶとする。図９（Ａ）に示すように、補給処理前において、容積Ｖには、低濃度燃料ガスが残存している。また、第１の遮断弁２３０と、燃料電池１００内部の最上流側の発電ユニット１１０と、の間の容積をＶａとする。さらに、第２の部分接続通路２９６ｂの容積をＶｂとし、容積Ｖｂのうち、補給された高濃度燃料ガスが進入する容積をＶｂ’とする。
【００７５】
補給処理前に容積Ｖ内に存在する低濃度燃料ガスに注目すると、以下の式（８）が成り立つ。
【００７６】
Ｐｍ１・Ｖ＝Ｐｏ・（Ｖ−Ｖａ−Ｖｂ’）        …（８）
【００７７】
また、補給処理前に容積Ｖｂ内に存在する低濃度燃料ガスに注目すると、以下の式（９）が成り立つ。
【００７８】
Ｐｍ１・Ｖｂ＝Ｐｏ・（Ｖｂ−Ｖｂ’）              …（９）
【００７９】
式（８），式（９）から、Ｖｂ’を除去すると、式（１０）に示すように下限値Ｐｍ１が求められる。
【００８０】
Ｐｍ１＝（Ｖ−Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖ−Ｖｂ）・Ｐｏ   …（１０）
【００８１】
閾値Ｐｔｈ１は、下限値Ｐｍ１より大きいため、閾値Ｐｔｈ１は式（１１）で表される。
【００８２】
Ｐｔｈ１＞（Ｖ−Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖ−Ｖｂ）・Ｐｏ   …（１１）
【００８３】
前述のように、本実施例では、検出値Ｐｃが下限値Ｐｍ１より大きな閾値Ｐｔｈ以下となったときに、第１の遮断弁２３０が開状態に設定されるため、新たな燃料ガスが燃料電池１００内部の各発電ユニット１１０に確実に到達しないように、新たな燃料ガスを補給することができる。
【００８４】
なお、本実施例では、循環ポンプ２５０は、接続通路２９６の中央付近に設けられているが、これに代えて、接続通路２９６のうちの第３の部分燃料ガス通路２９２ｃ近傍の位置に設けられる場合には、Ｖｂ，Ｖｂ’はほぼゼロである。この場合には、閾値Ｐｔｈ１は式（１２）で表される。
【００８５】
Ｐｔｈ１＞（１−Ｖａ／Ｖ ）・Ｐｏ                  …（１２）
【００８６】
ステップＳ１１２〜Ｓ１１６（図７）の処理により、発電停止期間中において、発電ユニット１１０の面内で水素ガス濃度分布の不均一が発生しないように、特定空間内の圧力Ｐを高めることができる。
【００８７】
前述したように、発電の再開の要求は、ユーザからの指示に基づいて発生する。このため、補給処理の後に、比較的長い期間が経過する場合が発生し得る。この場合には、高濃度燃料ガスと低濃度燃料ガスとが特定空間内で拡散し、この結果、発電ユニット１１０が水素ガス濃度の異なる燃料ガスに曝される虞がある。そこで、本実施例では、以下の処理が実行される。
【００８８】
ステップＳ１１８（図７）では、コントローラ６００は、ステップＳ１０２と同様に、燃料電池の発電の再開が要求されているか否かを判断する。発電の再開が要求されている場合には、前述のステップＳ１０４に進み、発電の再開が要求されていない場合には、ステップＳ１２２に進む。
【００８９】
ステップＳ１２２では、コントローラ６００は、ステップＳ１１２と同様に、圧力センサ６１０から検出値Ｐｃを取得する。
【００９０】
ステップＳ１２４では、コントローラ６００は、検出値Ｐｃが第２の閾値Ｐｔｈ２以下であるか否かを判断する。検出値Ｐｃが閾値Ｐｔｈ２以下である場合には、ステップＳ１２６に進み、検出値Ｐｃが閾値Ｐｔｈ２よりも大きい場合には、ステップＳ１１８に戻る。なお、第２の閾値Ｐｔｈ２については後述する。
【００９１】
ステップＳ１２６では、コントローラ６００は、循環ポンプ２５０を短い期間だけ作動させて、燃料ガスを循環させる。この燃料ガスの循環により、特定空間内において高濃度燃料ガスと低濃度燃料ガスとが混合され、特定空間内の水素ガス濃度分布を均一化することができる。なお、ステップＳ１２６の処理が終了すると、前述のステップＳ１０２に戻る。
【００９２】
図１０は、図７の処理が実行される際の圧力変化の一例を模式的に示す説明図であり、図４に対応する。図１０は、図４と同様であるが、発電停止期間Ｔｓ中の圧力変化が変更されている。なお、図１０では、図４と同様に、時刻ｔ０で燃料電池の発電が停止されており、時刻ｔ１で燃料電池の発電が再開されている。また、図１０では、図４の値Ｐｚも示されている。
【００９３】
発電停止期間Ｔｓ中には、図４と同様に、圧力Ｐは次第に低下する。そして、圧力Ｐが第１の閾値Ｐｔｈ１に到達する時刻ｔａにおいて、第１の遮断弁２３０が僅かな期間だけ開状態に設定されて、燃料ガスが補給される（ステップＳ１１４，Ｓ１１６参照）。燃料ガスが補給されると、圧力Ｐは値Ｐｏまで急激に増大する。
【００９４】
その後、圧力Ｐは、次第に減少する。そして、圧力Ｐが第２の閾値Ｐｔｈ２に到達する時刻ｔｂにおいて、循環ポンプ２５０が、短い期間Ｔｐ（例えば燃料ガスが環状通路を１〜２周する期間）だけ、作動状態に設定される。
【００９５】
本実施例では、循環処理のタイミングを規定する第２の閾値Ｐｔｈ２は、第２の下限値Ｐｍ２より大きな値に設定されている。図１０に示すように、第１の閾値Ｐｔｈ１と第１の下限値Ｐｍ１との差をΔＰ（＝Ｐｔｈ１−Ｐｍ１）とすると、第２の下限値Ｐｍ２は、値Ｐｏよりも値ΔＰだけ小さな値である。補給処理が行われた後、循環処理が行われずに燃料電池の発電が再開される場合を想定する。仮に、圧力Ｐが第２の下限値Ｐｍ２に到達したときに発電が再開されると、発電の再開時の燃料ガスの補給（ステップＳ１０４参照）によって、発電停止期間中の時刻ｔａで補給された燃料ガス（ステップＳ１０６で補給された燃料ガス）が燃料電池１００内部の最上流側に配置された発電ユニット１１０の端部付近にちょうど到達する。換言すれば、仮に、圧力Ｐが第２の下限値Ｐｍ２未満の値に到達したときに発電が再開されると、一部の発電ユニット１１０は、図６で説明したのと同様に、低濃度燃料ガスと高濃度燃料ガスとの双方に曝される。
【００９６】
このため、本実施例では、第２の閾値Ｐｔｈ２は、第２の下限値Ｐｍ２よりも大きな値に設定されている。これにより、発電の再開時における燃料ガスの補給直後に、各発電ユニット１１０の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一とならないように、確実に燃料ガスを循環させることができる。
【００９７】
なお、図１０では、時刻ｔ１で発電が再開されているが、図７の説明から分かるように、時刻ｔａよりも前に発電が再開される場合には、発電停止期間において燃料ガスの補給と燃料ガスの循環とは行われない。また、時刻ｔａと時刻ｔｂとの間で発電が再開される場合には、発電停止期間において燃料ガスの補給は行われるが、燃料ガスの循環は行われない。さらに、時刻ｔ１よりも後で発電が再開される場合には、発電停止期間において、２回以上の燃料ガスの補給と、２回以上の燃料ガスの循環とが行われ得る。
【００９８】
以上説明したように、本実施例では、燃料電池１００の発電が一時的に停止される場合には、２つの遮断弁２３０，２４０の間の特定空間が閉状態に設定されると共に、特定空間内での燃料ガスの循環が停止される。そして、燃料電池１００の発電が再開される前の発電停止期間中に、特定空間内の圧力の検出値Ｐｃが第１の閾値Ｐｔｈ１以下となる場合には、新たな燃料ガスが燃料電池１００内部の各発電ユニット１１０（より具体的には膜電極接合体）に到達しないように、特定空間内に新たな燃料ガスが補給される。このため、燃料電池の発電を一時的に停止した後に発電を再開する場合に、発電停止期間中における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することができる。
【００９９】
また、図４，図１０を比較して分かるように、本実施例では、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されるため、燃料電池の発電停止期間中に燃料ガスが補給されない場合と比較して、発電が再開される直前の特定空間内の圧力を高めることができ、この結果、燃料電池１００の発電を迅速に再開させることができる。具体的には、発電再開直後の燃料電池１００の出力電圧を向上させることができる。
【０１００】
さらに、本実施例では、発電停止期間中に、新たな燃料ガスの補給が行われた後に特定空間内の圧力の検出値Ｐｃが第２の閾値Ｐｔｈ２以下となる場合には、燃料ガスが循環される。このため、発電停止期間中において特定空間内の燃料ガスの濃度分布を均一化することができ、この結果、発電再開時における燃料ガスの補給直後に、膜電極接合体の面内で燃料ガスの濃度分布が不均一となるのを抑制することができる。
【０１０１】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０２】
（１）上記実施例（図７）では、ステップＳ１１２，Ｓ１１４において、検出値Ｐｃが第１の閾値Ｐｔｈ１以下となったときに、第１の遮断弁２３０が一時的に開状態に設定されているが、これに代えて、燃料電池の発電停止から所定期間が経過したときに、第１の遮断弁２３０が一時的に開状態に設定されてもよい。なお、所定期間は、実験に基づいて、決定可能である。
【０１０３】
一般には、燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に第１の条件が満足される場合に、特定空間内に新たな燃料ガスが補給されればよい。
【０１０４】
（２）上記実施例（図７）では、ステップＳ１２２，Ｓ１２４において、検出値Ｐｃが第２の閾値Ｐｔｈ２以下となったときに、循環ポンプ２５０が一時的に作動状態に設定されているが、これに代えて、ステップＳ１１６の補給処理から所定期間が経過したときに、循環ポンプ２５０が一時的に作動状態に設定されてもよい。
【０１０５】
一般には、燃料電池の発電が再開される前の発電停止期間中に、新たな燃料ガスの補給が行われた後に第２の条件が満足される場合に、特定空間内で燃料ガスが循環されればよい。
【０１０６】
なお、第２の条件は、省略可能である。この場合には、例えば、ステップＳ１１６の補給処理直後に、循環ポンプ２５０が一時的に作動状態に設定されればよい。ただし、上記のように、第２の条件を設定すれば、発電停止期間中における循環ポンプ２５０の動作頻度を抑制することができるという利点がある。
【０１０７】
（３）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池が利用されているが、他のタイプの燃料電池が利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の内部構造を模式的に示す説明図である。
【図３】比較例における発電停止後の処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】図３の処理が実行される際の圧力変化の一例を模式的に示す説明図である。
【図５】図３のステップＳ９０４の補給処理前後における燃料ガスの分布を示す説明図である。
【図６】高濃度燃料ガスと低濃度燃料ガスとに曝された発電ユニット１１０を拡大して示す説明図である。
【図７】実施例における発電停止後の処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】図７のステップＳ１１６の補給処理前後の燃料ガスの分布を示す説明図である。
【図９】下限値Ｐｍ１の算出方法を示す説明図である。
【図１０】図７の処理が実行される際の圧力変化の一例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…燃料電池
１１０…発電ユニット
１１０Ｈ，１１０Ｌ…部分発電ユニット
１１２…電解質膜
１１４ａ，１１４ｃ…電極触媒層
１１６ａ，１１６ｃ…ガス拡散層
１２０…セパレータ
１２１…アノード側ガス通路
１２２…カソード側ガス通路
１９０…負荷装置
２００…燃料ガス供給部
２１０…燃料ガスタンク
２２０…減圧弁
２３０…遮断弁
２４０…遮断弁
２５０…循環ポンプ
２６０…コントローラ
２９２…燃料ガス通路
２９２ａ〜２９２ｃ…部分燃料ガス通路
２９４…燃料オフガス通路
２９４ａ，２９４ｂ…部分燃料オフガス通路
２９６…接続通路
２９６ａ，２９６ｂ…部分接続通路
３００…酸化ガス供給部
３１０…ブロワ
３９２…酸化ガス通路
３９４…酸化オフガス通路
６００…コントローラ
６１０…圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005455291.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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